Хемореактомное прогнозирование противовоспалительных, противоболевых, ульцерогенных эффектов молекулы-кандидата N-аллилимидазол-цинка в сравнении с цинковыми производными нестероидных противовоспалительных препаратов

ВВЕДЕНИЕ / INTRODUCTION

По результатам систематизации больших данных в рамках международного перспективного реестра протоколов систематических обзоров в здравоохранении и социальной помощи PROSPERO [1], 1,5 млрд человек во всем мире страдают от хронической боли, причем ее распространенность увеличивается с возрастом. Боль ассоциируется с усталостью, снижением качества жизни и более тяжелым прогнозом множества заболеваний.

Сравнение характеристик боли при широком спектре заболеваний, систематизированных в базах данных PubMed/MEDLINE и Cochrane Library с момента их создания до 31 марта 2021 г., позволило стратифицировать значимость болевого синдрома по классификации заболеваний, полу и степени тяжести (умеренная или тяжелая боль), связь с психическими/поведенческими расстройствами, патологиями системы кровообращения и нарушением мозгового кровотока. Среди женщин по сравнению с мужчинами отмечено небольшое преобладание пациентов с болью (49,8% против 43,5%) и заметное (в 1,8 раза) – с болью в пояснице. Основные группы сопутствующих заболеваний с умеренной и тяжелой степенями боли включали гастропарез (92,3%), легочную гипертензию (90,0%), хроническую обструктивную болезнь легких (83,2%) и рассеянный склероз (80,0%) [1].

Хроническая боль – проблема общественного здравоохранения, которая требует гораздо более эффективных фармацевтических вмешательств с минимальными профилями побочных действий. Нестероидные противовоспалительные средства (НПВС), применяемые для лечения боли и воспаления, осуществляют основное фармакологическое действие посредством блокады активности циклооксигеназы-2 (ЦОГ-2) и через ряд центральных механизмов [2]. При оценке перспективности молекул-кандидатов НПВС обычно определяются фармакологические и токсикологические профили не только in vitro и in vivo, но и in silico. Для этого анализируется как их противовоспалительная активность (например, на различных моделях – отек лапы у крыс, модель с использованием горячей пластики), так и анальгезирующее действие (на различных моделях корчей у крыс – инъекция уксусной кислоты, ущемление хвоста и целый ряд экспериментальных моделей повреждения периферических нервов у животных), а также риски ульцерогенного воздействия после перорального приема.

Поиски новых НПВС осуществляются, в частности, в направлении повышения их безопасности (в т.ч. снижения ульцерогенеза). Однако без предварительного моделирования in silico может быть получен прямо противоположный результат. Например, синтез и исследование новой производной мочевины (1-(2-хлорбензоил)-3-(2,3-дихлорфенил)-тиомочевины) продемонстрировали сравнимый с аспирином и индометацином противовоспалительный эффект. Но при этом совершенно не удалось избежать гастротоксичности, характерной для НПВС [3].

Усиление противовоспалительного и устранение гастротоксичного эффекта НПВС посредством комплексообразования с ионами цинка – весьма заманчивая перспектива фармакологии микроэлементов и НПВС, позволяющая сохранять противовоспалительные и противоболевые эффекты НПВС и снижать гастротоксичность. Такие результаты были получены для комплексов иона цинка с диклофенаком [4], индометацином [5] и даже для смесей органических солей цинка с различными НПВС (гидроаспартата цинка с ибупрофеном) [6][7]. Применение комплексов цинка с НПВС или смесей НПВС с солями цинка достоверно снижало микроповреждения слизистой желудка.

Цель – хемореактомное моделирование фармакологических эффектов N-аллилимидазол-цинка и цинковых производных известных НПВС (диклофенак, нимесулид, кеторолак) методами топологического анализа хемографов и численного прогнозирования в сложных системах признаков.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ / MATERIAL AND METHODS

Исследованные молекулы / The studied molecules

Проведено in silico моделирование цинкосодержащего противовоспалительного средства N-аллилимидазол-цинка(бис(N-аллилимидазол)цинкдиацетат), синтезированного в ФГБУН ФИЦ «Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского Сибирского отделения РАН» и потенциально не проявляющего гастротоксических недостатков НПВС. Исследованные молекулы представлены на рисунке 1.

Хемореактомное моделирование / Chemoreactome modeling

Хемореактомное in silico моделирование фармакологических свойств ряда цинкосодержащих комплексов и N-аллилимидазол-цинка осуществлялось посредством конгломерата методов хемоинформационного анализа молекул научной школы Ю.И. Журавлёва [8–10]. Процедура основана на теории топологического анализа данных [11][12].

Моделирование проводилось в контексте системно-биологического подхода постгеномной фармакологии, в котором принимается, что действующее начало любого лекарства модулирует уровни и активность мРНК-транскриптома, таргетных белков протеома и мимикрирует под малые молекулы в составе метаболома организма [13].

Любые эффекты, как противовоспалительные, так и все остальные, моделировались в три этапа:

1) формирование релевантной выборки данных для обучения (например, молекулы с противовоспалительной активностью);

2) расчет химического расстояния dχ между молекулами [8];

3) вычисление констант ингибирования (Ki), полумаксимального ингибирования (англ. half-maximal inhibitory concentration, IC50).

На первом этапе формировалась выборка исходных данных. С этой целью по ключевым словам (например, описывающим центральное действие – “dopamine”, “adrenergic”, “opioid”, “histamine”, “serotonin”, “glutamate”, “analgesic” и др., всего 35 терминов) из базы данных PubChem извлекались соответствующие биологические активности молекул. Всего было найдено 1627 активностей для 25 129 молекул. В качестве контроля при формировании обучающей выборки использовались данные с применением физраствора, извлеченные из той же базы данных PubChem для каждой из 1627 активностей.

На втором этапе анализа устанавливался список молекул с известными свойствами, наиболее близкими к каждой из исследуемых молекул. Это осуществлялось посредством вычисления «метрического химического расстояния» dχ между молекулами. Процедуры вычисления метрики dχ основаны на комбинаторной теории разрешимости в применении к хемографам (χ-графам) – математическим объектам, используемым для описания структур молекул [8].

На третьем этапе для каждой молекулы из баз данных извлекалась вся имеющаяся информация об экспериментальном измерении различных биологических свойств этой молекулы и проводились оценки биологических активностей с вычислением соответствующих констант (констант связывания, констант ингибирования и др.). Настройка весов метрик dχ и прогнозирование центральных свойств исследуемых НПВС проводилась с помощью современных методов прогнозирования целевых числовых переменных [10]. Для получения оценок значений констант, представленных в последующих таблицах, анализировались результаты от 5 до 216 независимых хемопротеомных экспериментов (в среднем 14 экспериментов на один тип рецептора).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ / RESULTS AND DISCUSSION

Фармакологическое действие изученных молекул / Pharmacological effect of the studied molecules

Микроэлемент цинк проявляет самостоятельные противовоспалительные и противоболевые эффекты. Поскольку N-аллилимидазол-цинк и изученные цинк-НПВС содержат до 10–25 мг цинка (при физиологической потребности в цинке около 25 мг/сут), его высокое содержание является неотъемлемой частью фармакологического действия этих соединений.

В протеоме с ионами Zn²⁺ взаимодействуют более 1100 белков, реализующих противовоспалительные, антиоксидантные, регенеративные, транскриптомные, антиноцицептивные эффекты [14], необходимые для поддержки биохимической структуры ДНК: посттрансляционных модификаций ДНК и ее стабилизаторов белков-гистонов (метилирование/ацетилирование гистонов, метилирование ДНК) [15]. Взаимодействуя с протеомом, ионы Zn²⁺ также необходимы для поддержки холинергической, катехоламиновой, серотониновой нейротрансмиссии [16]. Дефицит цинка, наоборот, увеличивает выработку провоспалительных цитокинов [17], что делает органические соли цинка важным инструментом терапии острых респираторных заболеваний [18] и COVID-19 [19].

Для целей настоящей работы важно подчеркнуть, что соли цинка с органическими лигандами не только проявляют антибактериальные и противовоспалительные свойства, способствуют регенерации раневой поверхности [20][21], но и оказывают выраженное антиульцерогенное действие на моделях эрозивного повреждения и формирования язвы желудка, вызванной острым стрессом [22], перевязкой привратника желудка [23], этиловым спиртом и/или НПВС [24] и другими факторами, способствуя поддержанию целостности слизистой оболочки желудка [25].

Хемореактомные оценки действия молекул на процессы воспаления / Chemoreactome assessments of molecules’ effects on inflammation processes

Простагландины

Хемореактомное in silico моделирование эффектов изученных молекул на простагландины (табл. 1) позволяет утверждать, что N-аллилимидазол-цинк в концентрации 1 мкМ может ингибировать ЦОГ-2 сопоставимо с цинк-НПВС (ингибирование на 24,9% от контроля; цинк-НПВС: 34,4–54,3% от контроля), но с меньшей специфичностью. Эффекты N-аллилимидазол-цинка отличаются от действия цинк-НПВС через потенциальное влияние на синтез и секрецию лейкотриена В4 (IC50 237,7 нМ).

Кинин-рецепторы

N-аллилимидазол-цинк потенциально ингибирует кинин-рецепторы, причем величина данного эффекта сопоставима с цинк-НПВС (табл. 2). Данный механизм важнее для реализации противовоспалительных и противоболевых эффектов – например, блокада брадикининовых (1/2) рецепторов способствует устранению воспаления/ноцицепции в центральной нервной системе [26].

Провоспалительные сигнальные молекулы

Эффекты N-аллилимидазол-цинка на уровни провоспалительных сигнальных молекул фактор некроза опухоли альфа, интерлейкин-1-бета и интерлейкин-6 (табл. 3) потенциально (по результатам хемореактомного анализа) связаны с ингибированием активности транскрипционного внутриядерного фактора каппа В, который участвует в реализации биологических эффектов рецепторов провоспалительных сигналов через регуляцию транскрипции генома в масштабе всего генома. N-аллилимидазол-цинк проявлял не меньшие противовоспалительные свойства по данному молекулярному механизму, чем цинк-кеторолак, и, что важно, характеризовался наименьшим ульцерогенезом на фоне наилучшего (среди исследованных молекул) гастропротекторного эффекта (71%) (табл. 4).

Хемореактомные оценки центрального и противоболевого действия молекул / Chemoreactomе assessments of molecules’ central and analgesic effects

В соответствии с результатами хемореактомного in silico моделирования центрального действия (рис. 2) N-аллилимидазол-цинк может потенциально показывать спектр эффектов, сопоставимый с цинк-НПВС, без достоверных отличий значений констант IC50 для рецепторов адреналина/норадреналина, ангиотензина, дофамина, гамма-аминомасляной кислоты, глутамата, опиоидов. При этом значения IC50 для ноцицептинового рецептора ORL1 (англ. opiate receptor like-1) были существенно ниже для N-аллилимидазол-цинка (IC50 198–214 нМ), чем для цинк-НПВС (IC50 361–1093 нМ), что указывает на возможность более эффективного ингибирования ORL1 молекулой-кандидатом. Хемореактомный анализ также указал, что тестирование анальгезии на моделях боли у мышей (корчи, вызванные уксусной кислотой) может приводить к схожим результатам для N-аллилимидазол-цинка и молекул сравнения (23–56% ингибирования ноцицепции).

Антивитаминная и антиминеральная активность / Antivitamin and antimineral activity

НПВС могут негативно влиять на обмен различных витаминов и микроэлементов. Особенно опасно воздействие ряда НПВС на обмен витамина К. Несмотря на достижения в лечении ишемической болезни сердца, при использовании НПВС сохраняется риск серьезных неблагоприятных сердечно-сосудистых событий. Антагонисты витамина К и прямые пероральные антикоагулянты в сочетании с НПВС увеличивают риск кровотечений, инфаркта миокарда, инсульта, профузных кровотечений и смертность от всех причин.

Проведенный анализ фармакоинформационных профилей «антимикронутриентного» воздействия исследуемых соединений указал на существенные различия между этими молекулами. Наиболее выраженным «антимикронутриентным» действием характеризовались цинк-диклофенак и цинк-нимесулид, которые могут стимулировать выведение лития, кальция, магния (в меньшей степени цинка, естественно), витаминов группы В (биотина, В1, В2, В6, фолатов), витаминов С и D. N-аллилимидазол-цинк отличался наилучшим антивитаминным (суммарный балл 0,86±0,11) и антиминеральным (суммарный балл 0,75±0,10) действием. Суммарный балл N-аллилимидазол-цинка по всем витаминам и минералам составил 1,5, что соответствует, в среднем, увеличению риска выведения того или иного микронутриента всего на 7%. Таким образом, N-аллилимидазол-цинк не только является источником «органического» цинка, но и (в отличие от изученных НПВС) способствует сохранению других микронутриентов. N-аллилимидазол-цинк в меньшей степени, чем молекулы сравнения, вмешивается в обмен витаминов C и K, обмен магния и кальция.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ / CONCLUSION

Важной задачей постгеномной фармакологии является моделирование потенциала любого нового синтетического терапевтического агента в контексте протеома и метаболома, что позволяет выбирать молекулы-кандидаты не только для лучшего управления болью, но и c минимальными противовитаминными и ульцерогенными эффектами. Отсев неэффективных и потенциально опасных молекул-кандидатов должен предварять исследования на животных и людях – прежде всего по этическим причинам, а также по экономическим соображениям. Хемореактомное исследование N-аллилимидазол-цинка и ряда цинковых производных НПВС указало на отсутствие у N-аллилимидазол-цинка гастроульцерогенного действия при наличии гастропротекторного, противовоспалительного, противоболевого эффектов, сопоставимых с молекулами сравнения.